1. 引言
在现代工程领域中，电机的机座是电机整体上最重要的结构部件，其设计质量直接影响到整个电机系统的性能和稳定性。它起着支撑、保护、作为通风结构等多种作用[1]。以传动座马达固定座为例，电机座是数控机床拖动环节中重要的零部件之一，使用数量大，属于小箱体类零件[2]，主要作用是联接伺服拖动电机和滚珠丝杆；在对小型电机基座的研究方面，近年来有关电机机座的性能优化和振动分析的研究取得了一些进展[3]，研究人员通过结构优化设计针对电机机座的结构，进行有限元分析和优化设计方法，探索不同材料、几何形状和连接方式对机座性能的影响，以实现结构轻量化、强度增强和成本降低；在材料选用方面在电机机座中采用新型复合材料或特殊材料，以提高机座的耐热性、抗振性和耐腐蚀性能，同时减轻整体重量；在近几年的测试中发现在振动分析与控制方面，通过有限元分析和模态分析，研究振动对电机机座的影响，进一步优化设计以减少振动对机座的负面影响，提高系统稳定性和可靠性[4]。
在本文中通过有限元的分析，对电机机座的性能进行快速预测，评估振动对机座的影响，优化设计以减少振动对机座的影响[5]。
2. 建立三维模型
本文主要研究马达固定座电机座，如图1所示为在SolidWorks中建立的电机机座三维模型。
Figure 1. Motor frame model
图1. 电机机座模型
3. 基于ANSYS Workbench的静力学分析
3.1 材料选取及参数确定
将建立的三维模型在ANSYS中导入静力学分析模块首先选择材料，定义主要性能参数。这里选择主要材料为灰铸铁，弹性模量100 GPa，泊松比0.26，密度7.15 g/cm³。
3.2 网格划分
在本次有限元分析中，为了确保结果的准确性，将采取3 mm进行网格划分，划分结果如图2所示：
Figure 2. Mesh generation
图2. 网格划分
3.3. 施加约束及载荷
如图3，对该模型施加固定约束，将其底部和侧面固定；在本例中，主要研究电机轴承工作时，对轴承处产生的径向力和轴向力为主要载荷，电机机座所受径向载荷与轴承的径向支反力大小相等，方向相反，对其施加轴承载荷，沿Y轴施加500 N的力，如图4，施加轴承载荷。
Figure 3. Fixed constraint
图3. 固定约束
Figure 4. Bearing load applied
图4. 施加轴承载荷
3.4 结果分析
本次静力分析主要对电机机座进行总变形求解和等效应力分析，在计算完成之后查看模型的等效应力云图和总的变形量云图，首先查看电机机座结构的变形结果。如图5所示，分别对总位移、X方向位移、Y方向位移、Z方向位移求解，得到结论在Y方向的位移量最大，变形严重，在轴承结构的其他位置，结构变形很小。
(a) 总位移图
(b) X方向位移
(c) Y方向位移
(d) Z方向位移
Figure 5. Seat shift diagram of the motor machine
图5. 电机机座位移云图
等效应力求解，如图6所示。由图6可知电机机座的最大应力在轴承运动的下方，由图中数据可得此数值远低于材料的屈服强度，因此结构足够安全。满足设计要求。
Figure 6. Seat shift diagram of the motor machine
图6. 等效应力云图
4. 轴承结构的六阶模态分析
模态分析是研究结构动力特征一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特征，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。电机机座用来承载轴承，应当避免电机机座的自然频率和驱动电机激励频率相互接近，避免发生共振。在本次研究中，对电机机座结构单独进行了模态分析，取分析阶数为6阶。
如图7所示为一阶模态分析。
Figure 7. First order modal analysis
图7. 一阶模态分析
如图8所示为二阶模态分析。
Figure 8. Second-order modal analysis
图8. 二阶模态分析
如图9所示为三阶模态分析。
Figure 9. Third-order modal analysis
图9. 三阶模态分析
如图10所示为四阶模态分析。
Figure 10. Fourth order modal analysis
图10. 四阶模态分析
如图11所示为五阶模态分析。
Figure 11. Five order modal analysis
图11. 五阶模态分析
如图12所示为六阶模态分析。
Figure 12. Six order modal analysis
图12. 六阶模态分析
根据模态分析结果可知，整机的最大模态设计为六阶，在其中的三、四阶模态分析时，发生共振，形变最为严重，故在生产作业时避开该频率，以免影响电机正常工作。
5. 谐响应分析
谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的荷载时的稳态响应，分析过程中只计算结构的稳态受迫振动，不考虑激振开始时的瞬态振动；验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果。如图13，可以观察到谐波响应总变形，在顶面变形量达到最大，可以发现出现明显的变化。
Figure 13. Harmonic response total deformation
图13. 谐波响应总变形
如图14，在进行谐响应分析时，利用ANSYS软件得出的数据显示，在0~10,000 Hz的频率范围内，电机机座存在着特定频率下的共振现象。该机构在0~10,000 HZ频率工作时，在8700 Hz和9900 Hz两个频率点附近，共振现象表现得最为显著和严重。这种共振现象将导致机座系统的振动幅度急剧增加，进而引发严重的振动问题和结构破坏风险。实验结果强调了对电机机座进行谐响应分析的重要性，以便及早识别存在的共振频率点并采取相应的结构优化措施，从而确保电机系统的稳定性和可靠性。将为改进电机机座设计提供了重要参考，有助于优化系统的性能并减少潜在的振动问题。
Figure 14. Harmonic response analysis diagram
图14. 谐波响应分析图
6. 结论
本文通过三维建模和仿真，利用ANSYS Workbench软件对电机机座进行了全面的计算分析，主要涉及应力、位移和固有频率等方面。研究结果表明，该电机机座的轴承应力处于标准范围内，符合相关规定要求，这有助于确保机座在正常运行条件下的稳定性和可靠性。在加工过程中，前六阶固有频率集中在1000~10,000 Hz范围内，其中在8700 Hz时出现最严重的共振现象，导致形变和应力达到最大值。因此，在实际使用中，应尽量避开共振频率，以延长电机的使用寿命。
综合研究成果，本文得出以下主要结论：电机机座的轴承应力处于规定范围内，符合标准要求，表明机座在正常工作条件下具有稳定的受力性能。通过固有频率分析，发现在8700 Hz频率附近存在严重的共振现象，造成形变和应力的显著增加，提示在设计和使用中需要特别注意避免该频率点。为了延长电机的寿命和提高系统的可靠性，建议在设计和操作中综合考虑共振频率，采取相应的结构优化和控制措施，以减少共振对电机机座的不利影响。